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可変周波数ドライブ（VFD）は、産業および自動車分野で広く使用されています。主要な技術は、半導体スイッチを使用した高周波パルス幅変調（PWM）です。主に、4〜16 kHzの範囲のスイッチング周波数で動作する400レベルインバーターは、モーターを駆動するための70相正弦波基本電圧または電流を生成します。3V以上のバス電圧の場合、IGBTがアプリケーションの主な役割を担っています。ワイドバンドギャップSiC MOSFETの出現により、デバイスの優れたスイッチング性能は、モータードライブ開発において急速に大きな注目を集めています。SiC MOSFETは、対応するSi IGBTの約8％のスイッチング損失を削減するか、約40倍のスイッチング周波数で同じ効率を達成できます。抵抗器のように動作するSiC MOSFETには、IGBTのPN接合電圧降下がないため、特に軽負荷時に伝導損失が削減されます。より高いPWM周波数とより高いモータードライブの基本周波数を実現できるため、モーターをより大きな極数で設計してモーターのサイズを縮小できます。 2 極モーターは、同じ出力の 3 極モーターに比べてサイズを 800% 縮小できます。スイッチング周波数が高いため、高密度モーターの設計が可能です。これらのパフォーマンスは、高速、高効率、高密度のモーター駆動アプリケーションにおける SiC MOSFET の大きな可能性を示しています。Tesla Model XNUMX での SiC MOSFET の成功は、SiC ベースのモーター駆動時代の幕開けを示しました。SiC MOSFET は、特に XNUMXV バッテリー車両における自動車牽引アプリケーションを支配し、産業用ハイエンド アプリケーションでより多くのシェアを獲得する傾向が強いです。

SiC MOSFET の利点を最大限活用するには、スイッチング速度 (dv/dt) とスイッチング周波数を現在の IGBT ベースのソリューションより 1 桁以上高くする必要があります。SiC MOSFET の大きな可能性にもかかわらず、デバイスの用途は現在のモーター技術と駆動システムの構造によって依然として制限されています。ほとんどのモーターは、巻線インダクタンスが高く、寄生容量も大きいです。モーターをインバータに接続する 3 相ケーブルは、以下に示すように、基本的に LC 回路を形成します。インバータ出力での高い dv/dt 電圧は LC 回路を励起し、モーター端子の電圧スパイクはインバータ出力電圧の 2 倍に達する可能性があります。これにより、モーター巻線に大きな電圧ストレスが加わります。

インバータがモーターに直接取り付けられている場合、ケーブル電圧のリンギングは発生しません。ただし、以下に示すように、高 dv/dt 電圧の変化が巻線に直接適用されるため、巻線の劣化が加速される可能性があります。さらに、高 dv/dt 電圧によってベアリング電流が発生し、ベアリングの侵食や早期故障を引き起こす可能性があります。

もう 1 つの潜在的な問題は EMI です。dv/dt と di/dt が高いと、電磁干渉の放出が大きくなる可能性があります。IGBT と SiC ベースのソリューションの両方において、すべての設計でこれらの影響を考慮する必要があります。

これらの問題を軽減するために、さまざまな技術が開発されています。モーターとインバーター ドライバーを分離する必要がある場合、dv/dt エッジ フィルターまたは正弦波フィルターは効果的なソリューションですが、コストがいくらか追加されます。IGBT インバーターが市販されて以来、モーターの設計自体は改善されてきました。絶縁された磁気ワイヤーの改善とモーター コイルの巻き線構造およびシールド方法の改善により、モーターの dv/dt 処理能力は当初の数 V/ns から大幅に改善され、最終的には 40 ～ 50 V/ns という目標に到達するでしょう。SiC ベースのインバーターは非常に効率的で、効率は通常 98.5kHz で 40%、99kHz で 20% に達します。ドライバー損失により、統合モーター ドライブが実現可能になり、魅力的なシステム ソリューションになります。これにより、すべてのケーブルと端子接続がなくなり、システム サイズとコストが削減されます。完全に密閉されたインバーター ドライバーとモーターは、EMI 放出を減らす効果的な方法です。ベアリング電流は、接地されたスプリングまたはブラシを使用してモーターのシャフトをステーターに短絡することでバイパスできます。小型で高効率、軽量、統合型モータードライブは、産業用ロボット、空中および水中ドローンなどに広く使用されています。

SiC MOSFET は、ドライブ システムのサイズを縮小するだけでなく、高速ドライブも可能にします。高速ドライブは、自動車、航空宇宙、スピンドル、ポンプ、コンプレッサーの分野でますます注目を集めています。高速ドライブは、前述のアプリケーションの一部では最先端の技術となっていますが、一部のニッチなアプリケーションでは、高速ドライブの採用により、製品の品質と製品の革新の面でパフォーマンスと機能が向上しています。

統合ドライブアプリケーション

滑らかな正弦波駆動を実現するには、VFD スイッチング周波数を AC 電流周波数の少なくとも 50 倍にする必要があります。したがって、スイッチング周波数、極対、およびモーター速度には次の関係があります。

f_PWM = 50∙ 極対∙ rpm /60

つまり、一般的な 4 極モーターの場合、10 krpm に到達するには、f_PWM を 16.6kHz にする必要があり、これは IGBT の最大スイッチング周波数とほぼ同じです。したがって、10 krpm を超えるモーター速度の場合、SiC MOSFET が優先されるか、唯一の有効なオプションになります。モーターの電力密度を高めるには、通常、極ペア数を増やしますが、それにはさらに高い PWM スイッチング周波数が必要です。SiC の適用は、新しいラウンドのモーター設計の改善と革新を推進するでしょう。